鄧亞新,張 帆,楊 斌,顧承慶,李冬冬
(國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠,杭州 311608)
研究水力發(fā)電機(jī)組重要部件的自振特性是研究其振動問題的基礎(chǔ),對其關(guān)鍵部件進(jìn)行模態(tài)分析不僅有助于機(jī)組振動故障診斷,而且可以防止共振現(xiàn)象的發(fā)生,對保障機(jī)組安全穩(wěn)定運行具有重大意義[1]。
某水電站有9臺單機(jī)容量95 MW、額定轉(zhuǎn)速150 r/min的混流式機(jī)組,為二導(dǎo)結(jié)構(gòu)懸式機(jī)組,上機(jī)架為承重機(jī)架。首臺機(jī)組于1960年開始發(fā)電,9臺機(jī)組服役期都超過50年,機(jī)組主要承重結(jié)構(gòu)部件上機(jī)架及定子機(jī)座沒有進(jìn)行詳細(xì)的受力計算分析,且通風(fēng)系統(tǒng)曾進(jìn)行改造,在定子機(jī)座環(huán)板上開過孔,為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運行,有必要對上機(jī)架-定子機(jī)座系統(tǒng)振動特性進(jìn)行研究。
上機(jī)架主要由8條對稱支臂和中心體構(gòu)成,8條支臂通過螺栓聯(lián)接固定在定子機(jī)座上環(huán)板。圖1所示為上機(jī)架-定子機(jī)座3D模型,上機(jī)架最上端安裝推力軸承座板,共10塊,對稱支臂最外端距離為9 840 mm。定子機(jī)座高度2 930 mm,殼體最大直徑9 980 mm,主要由7層環(huán)板和40條豎直立筋構(gòu)成。
在這種結(jié)構(gòu)中,上機(jī)架-定子機(jī)座系統(tǒng)受力主要有結(jié)構(gòu)自身重力、電磁場的電磁扭矩、電磁場的偏心磁拉力等。上機(jī)架放置在定子機(jī)座上,定子機(jī)座須承受上機(jī)架重量、自重和電磁扭矩。上機(jī)架-定子機(jī)座系統(tǒng)作為機(jī)組重要的支撐部件,除具有足夠的強(qiáng)度和剛度外,還必須具有良好的動力特性,其模態(tài)特性將影響到機(jī)組安全性和穩(wěn)定性,特別是對機(jī)組轉(zhuǎn)動部分和軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著決定性作用[2]。
圖1 上機(jī)架-定子機(jī)座3D模型
有限元模態(tài)分析是將某個無限復(fù)雜的多個自由度振動結(jié)構(gòu)離散成多個多自由度結(jié)構(gòu),并用有限個相互獨立的物理坐標(biāo)重新定義結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)。各個振動都包括一種固定形態(tài)的自由振動,系統(tǒng)具有的固有振頻就是振動頻率,系統(tǒng)的固有振型就是振動形態(tài)[3-4]。
實際求解結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性,常做如下假設(shè):結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度不變,不考慮阻尼作用,結(jié)構(gòu)作自由振動。其控制方程:
式中:M,X和K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。
對于單個線性系統(tǒng),自由振動可表示為如下的簡諧形式:
式中:Φi和ωi分別為第i階振型的特征向量和自振頻率;t為時間。
將式(2)代入(1)可得:
可以求得n個滿足式(3)的ω2值,n為自由度。那么自振頻率可表示為:
定子機(jī)座除鴿尾筋材料為Q345外,上機(jī)架-定子機(jī)座其余材料均為Q235,其彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7.85 g/cm3,邊界條件為:上機(jī)架與定子機(jī)座上環(huán)的連接視為剛性連接,定子機(jī)座與水泥基礎(chǔ)之間的連接同樣視為剛性連接[2]。
采用ANSYS Workbench軟件計算分析,根據(jù)上機(jī)架-定子機(jī)座的結(jié)構(gòu)特點、有限元計算的精度和求解時間等,建模計算時忽略上機(jī)架-定子機(jī)座結(jié)構(gòu)中的小圓角、倒角、退刀槽、砂輪越程槽等;因安裝上螺栓后螺栓孔剛度加強(qiáng),因此忽略所有的螺栓孔,也避免了劃分網(wǎng)格時出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。經(jīng)過簡化后,Workbench建模后的單元總數(shù)110 954,節(jié)點數(shù)228 496。
應(yīng)用Workbench默認(rèn)的求解器,采用LANCZOS法對上機(jī)架-定子機(jī)座系統(tǒng)進(jìn)行前6階自振特性計算分析,提取模型固有頻率和固有振動形態(tài)見表1。由表1可知,前6階固有頻率值相鄰兩階十分接近,這是由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對稱導(dǎo)致的。
表1 上機(jī)架-定子機(jī)座系統(tǒng)固有頻率與振型
圖2為上機(jī)架-定子機(jī)座1-6階振型,由圖中結(jié)果可以看出,上機(jī)架-定子機(jī)座系統(tǒng)振動形態(tài)主要有整體軸向平移、橢圓晃動、水平扭轉(zhuǎn)、機(jī)架水平扭轉(zhuǎn)、平移,實際仿真出的自振頻率為25 Hz, 33 Hz, 43 Hz和 68 Hz。
圖2 上機(jī)架-定子機(jī)座1-6階振型
表2 水輪機(jī)常見故障特征
水輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)振動故障可分為水力、機(jī)械和電氣3方面[1,6-9],具有復(fù)雜性、耦聯(lián)性、故障和特征非一一對應(yīng)性等特征。其常見故障特征如表 2 所示[1,6-15]。
根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù),轉(zhuǎn)頻fn為2.5 Hz,推力軸承數(shù)量m為10,活動導(dǎo)葉Z0數(shù)量為24,計算可得機(jī)組故障特征頻率為:2.5 Hz,25 Hz,60 Hz,0.69 Hz??ㄩT渦列的特征頻率通常在100~500 Hz,且很少出現(xiàn)[6]。從以上計算可知,只有推力瓦不平整的特征頻率(25 Hz)與理論模態(tài)頻率接近。推力瓦不平整的主要原因是推力頭和軸頸間有間隙,軸和推力頭之間有相對運動現(xiàn)象,這種現(xiàn)象非常少見[8]。
上機(jī)架-定子機(jī)座系統(tǒng)理論模態(tài)頻率為25 Hz, 33 Hz, 43 Hz, 68 Hz, 只有 25 Hz與機(jī)組常見故障特征頻率接近,但此種故障極其少見。機(jī)組上機(jī)架-定子機(jī)座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不會產(chǎn)生常見共振故障,可以保證機(jī)組安全穩(wěn)定運行。